sys/vm/vm_kern.c

   1 /*-
   2  * Copyright (c) 1991, 1993
   3  *      The Regents of the University of California.  All rights reserved.
   4  *
   5  * This code is derived from software contributed to Berkeley by
   6  * The Mach Operating System project at Carnegie-Mellon University.
   7  *
   8  * Redistribution and use in source and binary forms, with or without
   9  * modification, are permitted provided that the following conditions
  10  * are met:
  11  * 1. Redistributions of source code must retain the above copyright
  12  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer.
  13  * 2. Redistributions in binary form must reproduce the above copyright
  14  *    notice, this list of conditions and the following disclaimer in the
  15  *    documentation and/or other materials provided with the distribution.
  16  * 4. Neither the name of the University nor the names of its contributors
  17  *    may be used to endorse or promote products derived from this software
  18  *    without specific prior written permission.
  19  *
  20  * THIS SOFTWARE IS PROVIDED BY THE REGENTS AND CONTRIBUTORS ``AS IS'' AND
  21  * ANY EXPRESS OR IMPLIED WARRANTIES, INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, THE
  22  * IMPLIED WARRANTIES OF MERCHANTABILITY AND FITNESS FOR A PARTICULAR PURPOSE
  23  * ARE DISCLAIMED.  IN NO EVENT SHALL THE REGENTS OR CONTRIBUTORS BE LIABLE
  24  * FOR ANY DIRECT, INDIRECT, INCIDENTAL, SPECIAL, EXEMPLARY, OR CONSEQUENTIAL
  25  * DAMAGES (INCLUDING, BUT NOT LIMITED TO, PROCUREMENT OF SUBSTITUTE GOODS
  26  * OR SERVICES; LOSS OF USE, DATA, OR PROFITS; OR BUSINESS INTERRUPTION)
  27  * HOWEVER CAUSED AND ON ANY THEORY OF LIABILITY, WHETHER IN CONTRACT, STRICT
  28  * LIABILITY, OR TORT (INCLUDING NEGLIGENCE OR OTHERWISE) ARISING IN ANY WAY
  29  * OUT OF THE USE OF THIS SOFTWARE, EVEN IF ADVISED OF THE POSSIBILITY OF
  30  * SUCH DAMAGE.
  31  *
  32  *      from: @(#)vm_kern.c     8.3 (Berkeley) 1/12/94
  33  *
  34  *
  35  * Copyright (c) 1987, 1990 Carnegie-Mellon University.
  36  * All rights reserved.
  37  *
  38  * Authors: Avadis Tevanian, Jr., Michael Wayne Young
  39  *
  40  * Permission to use, copy, modify and distribute this software and
  41  * its documentation is hereby granted, provided that both the copyright
  42  * notice and this permission notice appear in all copies of the
  43  * software, derivative works or modified versions, and any portions
  44  * thereof, and that both notices appear in supporting documentation.
  45  *
  46  * CARNEGIE MELLON ALLOWS FREE USE OF THIS SOFTWARE IN ITS "AS IS"
  47  * CONDITION.  CARNEGIE MELLON DISCLAIMS ANY LIABILITY OF ANY KIND
  48  * FOR ANY DAMAGES WHATSOEVER RESULTING FROM THE USE OF THIS SOFTWARE.
  49  *
  50  * Carnegie Mellon requests users of this software to return to
  51  *
  52  *  Software Distribution Coordinator  or  Software.Distribution@CS.CMU.EDU
  53  *  School of Computer Science
  54  *  Carnegie Mellon University
  55  *  Pittsburgh PA 15213-3890
  56  *
  57  * any improvements or extensions that they make and grant Carnegie the
  58  * rights to redistribute these changes.
  59  */
  60
  61 /*
  62  *      Kernel memory management.
  63  */
  64
  65 #include <sys/cdefs.h>
  66 __FBSDID("$FreeBSD$");
  67
  68 #include <sys/param.h>
  69 #include <sys/systm.h>
  70 #include <sys/kernel.h>         /* for ticks and hz */
  71 #include <sys/eventhandler.h>
  72 #include <sys/lock.h>
  73 #include <sys/proc.h>
  74 #include <sys/malloc.h>
  75 #include <sys/rwlock.h>
  76 #include <sys/sysctl.h>
  77 #include <sys/vmem.h>
  78
  79 #include <vm/vm.h>
  80 #include <vm/vm_param.h>
  81 #include <vm/vm_kern.h>
  82 #include <vm/pmap.h>
  83 #include <vm/vm_map.h>
  84 #include <vm/vm_object.h>
  85 #include <vm/vm_page.h>
  86 #include <vm/vm_pageout.h>
  87 #include <vm/vm_extern.h>
  88 #include <vm/uma.h>
  89
  90 vm_map_t kernel_map;
  91 vm_map_t exec_map;
  92 vm_map_t pipe_map;
  93
  94 const void *zero_region;
  95 CTASSERT((ZERO_REGION_SIZE & PAGE_MASK) == 0);
  96
  97 /* NB: Used by kernel debuggers. */
  98 const u_long vm_maxuser_address = VM_MAXUSER_ADDRESS;
  99
 100 u_int exec_map_entry_size;
 101 u_int exec_map_entries;
 102
 103 SYSCTL_ULONG(_vm, OID_AUTO, min_kernel_address, CTLFLAG_RD,
 104     SYSCTL_NULL_ULONG_PTR, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, "Min kernel address");
 105
 106 SYSCTL_ULONG(_vm, OID_AUTO, max_kernel_address, CTLFLAG_RD,
 107 #if defined(__arm__) || defined(__sparc64__)
 108     &vm_max_kernel_address, 0,
 109 #else
 110     SYSCTL_NULL_ULONG_PTR, VM_MAX_KERNEL_ADDRESS,
 111 #endif
 112     "Max kernel address");
 113
 114 /*
 115  *      kva_alloc:
 116  *
 117  *      Allocate a virtual address range with no underlying object and
 118  *      no initial mapping to physical memory.  Any mapping from this
 119  *      range to physical memory must be explicitly created prior to
 120  *      its use, typically with pmap_qenter().  Any attempt to create
 121  *      a mapping on demand through vm_fault() will result in a panic.
 122  */
 123 vm_offset_t
 124 kva_alloc(size)
 125         vm_size_t size;
 126 {
 127         vm_offset_t addr;
 128
 129         size = round_page(size);
 130         if (vmem_alloc(kernel_arena, size, M_BESTFIT | M_NOWAIT, &addr))
 131                 return (0);
 132
 133         return (addr);
 134 }
 135
 136 /*
 137  *      kva_free:
 138  *
 139  *      Release a region of kernel virtual memory allocated
 140  *      with kva_alloc, and return the physical pages
 141  *      associated with that region.
 142  *
 143  *      This routine may not block on kernel maps.
 144  */
 145 void
 146 kva_free(addr, size)
 147         vm_offset_t addr;
 148         vm_size_t size;
 149 {
 150
 151         size = round_page(size);
 152         vmem_free(kernel_arena, addr, size);
 153 }
 154
 155 /*
 156  *      Allocates a region from the kernel address map and physical pages
 157  *      within the specified address range to the kernel object.  Creates a
 158  *      wired mapping from this region to these pages, and returns the
 159  *      region's starting virtual address.  The allocated pages are not
 160  *      necessarily physically contiguous.  If M_ZERO is specified through the
 161  *      given flags, then the pages are zeroed before they are mapped.
 162  */
 163 vm_offset_t
 164 kmem_alloc_attr(vmem_t *vmem, vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low,
 165     vm_paddr_t high, vm_memattr_t memattr)
 166 {
 167         vm_object_t object = vmem == kmem_arena ? kmem_object : kernel_object;
 168         vm_offset_t addr, i, offset;
 169         vm_page_t m;
 170         int pflags, tries;
 171
 172         size = round_page(size);
 173         if (vmem_alloc(vmem, size, M_BESTFIT | flags, &addr))
 174                 return (0);
 175         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 176         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 177         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 178         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 179                 tries = 0;
 180 retry:
 181                 m = vm_page_alloc_contig(object, atop(offset + i),
 182                     pflags, 1, low, high, PAGE_SIZE, 0, memattr);
 183                 if (m == NULL) {
 184                         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 185                         if (tries < ((flags & M_NOWAIT) != 0 ? 1 : 3)) {
 186                                 if (!vm_page_reclaim_contig(pflags, 1,
 187                                     low, high, PAGE_SIZE, 0) &&
 188                                     (flags & M_WAITOK) != 0)
 189                                         VM_WAIT;
 190                                 VM_OBJECT_WLOCK(object);
 191                                 tries++;
 192                                 goto retry;
 193                         }
 194                         kmem_unback(object, addr, i);
 195                         vmem_free(vmem, addr, size);
 196                         return (0);
 197                 }
 198                 if ((flags & M_ZERO) && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 199                         pmap_zero_page(m);
 200                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 201                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL,
 202                     VM_PROT_ALL | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 203         }
 204         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 205         return (addr);
 206 }
 207
 208 /*
 209  *      Allocates a region from the kernel address map and physically
 210  *      contiguous pages within the specified address range to the kernel
 211  *      object.  Creates a wired mapping from this region to these pages, and
 212  *      returns the region's starting virtual address.  If M_ZERO is specified
 213  *      through the given flags, then the pages are zeroed before they are
 214  *      mapped.
 215  */
 216 vm_offset_t
 217 kmem_alloc_contig(struct vmem *vmem, vm_size_t size, int flags, vm_paddr_t low,
 218     vm_paddr_t high, u_long alignment, vm_paddr_t boundary,
 219     vm_memattr_t memattr)
 220 {
 221         vm_object_t object = vmem == kmem_arena ? kmem_object : kernel_object;
 222         vm_offset_t addr, offset, tmp;
 223         vm_page_t end_m, m;
 224         u_long npages;
 225         int pflags, tries;
 226
 227         size = round_page(size);
 228         if (vmem_alloc(vmem, size, flags | M_BESTFIT, &addr))
 229                 return (0);
 230         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 231         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 232         npages = atop(size);
 233         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 234         tries = 0;
 235 retry:
 236         m = vm_page_alloc_contig(object, atop(offset), pflags,
 237             npages, low, high, alignment, boundary, memattr);
 238         if (m == NULL) {
 239                 VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 240                 if (tries < ((flags & M_NOWAIT) != 0 ? 1 : 3)) {
 241                         if (!vm_page_reclaim_contig(pflags, npages, low, high,
 242                             alignment, boundary) && (flags & M_WAITOK) != 0)
 243                                 VM_WAIT;
 244                         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 245                         tries++;
 246                         goto retry;
 247                 }
 248                 vmem_free(vmem, addr, size);
 249                 return (0);
 250         }
 251         end_m = m + npages;
 252         tmp = addr;
 253         for (; m < end_m; m++) {
 254                 if ((flags & M_ZERO) && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 255                         pmap_zero_page(m);
 256                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 257                 pmap_enter(kernel_pmap, tmp, m, VM_PROT_ALL,
 258                     VM_PROT_ALL | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 259                 tmp += PAGE_SIZE;
 260         }
 261         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 262         return (addr);
 263 }
 264
 265 /*
 266  *      kmem_suballoc:
 267  *
 268  *      Allocates a map to manage a subrange
 269  *      of the kernel virtual address space.
 270  *
 271  *      Arguments are as follows:
 272  *
 273  *      parent          Map to take range from
 274  *      min, max        Returned endpoints of map
 275  *      size            Size of range to find
 276  *      superpage_align Request that min is superpage aligned
 277  */
 278 vm_map_t
 279 kmem_suballoc(vm_map_t parent, vm_offset_t *min, vm_offset_t *max,
 280     vm_size_t size, boolean_t superpage_align)
 281 {
 282         int ret;
 283         vm_map_t result;
 284
 285         size = round_page(size);
 286
 287         *min = vm_map_min(parent);
 288         ret = vm_map_find(parent, NULL, 0, min, size, 0, superpage_align ?
 289             VMFS_SUPER_SPACE : VMFS_ANY_SPACE, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL,
 290             MAP_ACC_NO_CHARGE);
 291         if (ret != KERN_SUCCESS)
 292                 panic("kmem_suballoc: bad status return of %d", ret);
 293         *max = *min + size;
 294         result = vm_map_create(vm_map_pmap(parent), *min, *max);
 295         if (result == NULL)
 296                 panic("kmem_suballoc: cannot create submap");
 297         if (vm_map_submap(parent, *min, *max, result) != KERN_SUCCESS)
 298                 panic("kmem_suballoc: unable to change range to submap");
 299         return (result);
 300 }
 301
 302 /*
 303  *      kmem_malloc:
 304  *
 305  *      Allocate wired-down pages in the kernel's address space.
 306  */
 307 vm_offset_t
 308 kmem_malloc(struct vmem *vmem, vm_size_t size, int flags)
 309 {
 310         vm_offset_t addr;
 311         int rv;
 312
 313         size = round_page(size);
 314         if (vmem_alloc(vmem, size, flags | M_BESTFIT, &addr))
 315                 return (0);
 316
 317         rv = kmem_back((vmem == kmem_arena) ? kmem_object : kernel_object,
 318             addr, size, flags);
 319         if (rv != KERN_SUCCESS) {
 320                 vmem_free(vmem, addr, size);
 321                 return (0);
 322         }
 323         return (addr);
 324 }
 325
 326 /*
 327  *      kmem_back:
 328  *
 329  *      Allocate physical pages for the specified virtual address range.
 330  */
 331 int
 332 kmem_back(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size, int flags)
 333 {
 334         vm_offset_t offset, i;
 335         vm_page_t m;
 336         int pflags;
 337
 338         KASSERT(object == kmem_object || object == kernel_object,
 339             ("kmem_back: only supports kernel objects."));
 340
 341         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 342         pflags = malloc2vm_flags(flags) | VM_ALLOC_NOBUSY | VM_ALLOC_WIRED;
 343
 344         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 345         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 346 retry:
 347                 m = vm_page_alloc(object, atop(offset + i), pflags);
 348
 349                 /*
 350                  * Ran out of space, free everything up and return. Don't need
 351                  * to lock page queues here as we know that the pages we got
 352                  * aren't on any queues.
 353                  */
 354                 if (m == NULL) {
 355                         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 356                         if ((flags & M_NOWAIT) == 0) {
 357                                 VM_WAIT;
 358                                 VM_OBJECT_WLOCK(object);
 359                                 goto retry;
 360                         }
 361                         kmem_unback(object, addr, i);
 362                         return (KERN_NO_SPACE);
 363                 }
 364                 if (flags & M_ZERO && (m->flags & PG_ZERO) == 0)
 365                         pmap_zero_page(m);
 366                 KASSERT((m->oflags & VPO_UNMANAGED) != 0,
 367                     ("kmem_malloc: page %p is managed", m));
 368                 m->valid = VM_PAGE_BITS_ALL;
 369                 pmap_enter(kernel_pmap, addr + i, m, VM_PROT_ALL,
 370                     VM_PROT_ALL | PMAP_ENTER_WIRED, 0);
 371         }
 372         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 373
 374         return (KERN_SUCCESS);
 375 }
 376
 377 /*
 378  *      kmem_unback:
 379  *
 380  *      Unmap and free the physical pages underlying the specified virtual
 381  *      address range.
 382  *
 383  *      A physical page must exist within the specified object at each index
 384  *      that is being unmapped.
 385  */
 386 void
 387 kmem_unback(vm_object_t object, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 388 {
 389         vm_page_t m;
 390         vm_offset_t i, offset;
 391
 392         KASSERT(object == kmem_object || object == kernel_object,
 393             ("kmem_unback: only supports kernel objects."));
 394
 395         pmap_remove(kernel_pmap, addr, addr + size);
 396         offset = addr - VM_MIN_KERNEL_ADDRESS;
 397         VM_OBJECT_WLOCK(object);
 398         for (i = 0; i < size; i += PAGE_SIZE) {
 399                 m = vm_page_lookup(object, atop(offset + i));
 400                 vm_page_unwire(m, PQ_NONE);
 401                 vm_page_free(m);
 402         }
 403         VM_OBJECT_WUNLOCK(object);
 404 }
 405
 406 /*
 407  *      kmem_free:
 408  *
 409  *      Free memory allocated with kmem_malloc.  The size must match the
 410  *      original allocation.
 411  */
 412 void
 413 kmem_free(struct vmem *vmem, vm_offset_t addr, vm_size_t size)
 414 {
 415
 416         size = round_page(size);
 417         kmem_unback((vmem == kmem_arena) ? kmem_object : kernel_object,
 418             addr, size);
 419         vmem_free(vmem, addr, size);
 420 }
 421
 422 /*
 423  *      kmap_alloc_wait:
 424  *
 425  *      Allocates pageable memory from a sub-map of the kernel.  If the submap
 426  *      has no room, the caller sleeps waiting for more memory in the submap.
 427  *
 428  *      This routine may block.
 429  */
 430 vm_offset_t
 431 kmap_alloc_wait(map, size)
 432         vm_map_t map;
 433         vm_size_t size;
 434 {
 435         vm_offset_t addr;
 436
 437         size = round_page(size);
 438         if (!swap_reserve(size))
 439                 return (0);
 440
 441         for (;;) {
 442                 /*
 443                  * To make this work for more than one map, use the map's lock
 444                  * to lock out sleepers/wakers.
 445                  */
 446                 vm_map_lock(map);
 447                 if (vm_map_findspace(map, vm_map_min(map), size, &addr) == 0)
 448                         break;
 449                 /* no space now; see if we can ever get space */
 450                 if (vm_map_max(map) - vm_map_min(map) < size) {
 451                         vm_map_unlock(map);
 452                         swap_release(size);
 453                         return (0);
 454                 }
 455                 map->needs_wakeup = TRUE;
 456                 vm_map_unlock_and_wait(map, 0);
 457         }
 458         vm_map_insert(map, NULL, 0, addr, addr + size, VM_PROT_ALL,
 459             VM_PROT_ALL, MAP_ACC_CHARGED);
 460         vm_map_unlock(map);
 461         return (addr);
 462 }
 463
 464 /*
 465  *      kmap_free_wakeup:
 466  *
 467  *      Returns memory to a submap of the kernel, and wakes up any processes
 468  *      waiting for memory in that map.
 469  */
 470 void
 471 kmap_free_wakeup(map, addr, size)
 472         vm_map_t map;
 473         vm_offset_t addr;
 474         vm_size_t size;
 475 {
 476
 477         vm_map_lock(map);
 478         (void) vm_map_delete(map, trunc_page(addr), round_page(addr + size));
 479         if (map->needs_wakeup) {
 480                 map->needs_wakeup = FALSE;
 481                 vm_map_wakeup(map);
 482         }
 483         vm_map_unlock(map);
 484 }
 485
 486 void
 487 kmem_init_zero_region(void)
 488 {
 489         vm_offset_t addr, i;
 490         vm_page_t m;
 491
 492         /*
 493          * Map a single physical page of zeros to a larger virtual range.
 494          * This requires less looping in places that want large amounts of
 495          * zeros, while not using much more physical resources.
 496          */
 497         addr = kva_alloc(ZERO_REGION_SIZE);
 498         m = vm_page_alloc(NULL, 0, VM_ALLOC_NORMAL |
 499             VM_ALLOC_NOOBJ | VM_ALLOC_WIRED | VM_ALLOC_ZERO);
 500         if ((m->flags & PG_ZERO) == 0)
 501                 pmap_zero_page(m);
 502         for (i = 0; i < ZERO_REGION_SIZE; i += PAGE_SIZE)
 503                 pmap_qenter(addr + i, &m, 1);
 504         pmap_protect(kernel_pmap, addr, addr + ZERO_REGION_SIZE, VM_PROT_READ);
 505
 506         zero_region = (const void *)addr;
 507 }
 508
 509 /*
 510  *      kmem_init:
 511  *
 512  *      Create the kernel map; insert a mapping covering kernel text,
 513  *      data, bss, and all space allocated thus far (`boostrap' data).  The
 514  *      new map will thus map the range between VM_MIN_KERNEL_ADDRESS and
 515  *      `start' as allocated, and the range between `start' and `end' as free.
 516  */
 517 void
 518 kmem_init(start, end)
 519         vm_offset_t start, end;
 520 {
 521         vm_map_t m;
 522
 523         m = vm_map_create(kernel_pmap, VM_MIN_KERNEL_ADDRESS, end);
 524         m->system_map = 1;
 525         vm_map_lock(m);
 526         /* N.B.: cannot use kgdb to debug, starting with this assignment ... */
 527         kernel_map = m;
 528         (void) vm_map_insert(m, NULL, (vm_ooffset_t) 0,
 529 #ifdef __amd64__
 530             KERNBASE,
 531 #else
 532             VM_MIN_KERNEL_ADDRESS,
 533 #endif
 534             start, VM_PROT_ALL, VM_PROT_ALL, MAP_NOFAULT);
 535         /* ... and ending with the completion of the above `insert' */
 536         vm_map_unlock(m);
 537 }
 538
 539 #ifdef DIAGNOSTIC
 540 /*
 541  * Allow userspace to directly trigger the VM drain routine for testing
 542  * purposes.
 543  */
 544 static int
 545 debug_vm_lowmem(SYSCTL_HANDLER_ARGS)
 546 {
 547         int error, i;
 548
 549         i = 0;
 550         error = sysctl_handle_int(oidp, &i, 0, req);
 551         if (error)
 552                 return (error);
 553         if ((i & ~(VM_LOW_KMEM | VM_LOW_PAGES)) != 0)
 554                 return (EINVAL);
 555         if (i != 0)
 556                 EVENTHANDLER_INVOKE(vm_lowmem, i);
 557         return (0);
 558 }
 559
 560 SYSCTL_PROC(_debug, OID_AUTO, vm_lowmem, CTLTYPE_INT | CTLFLAG_RW, 0, 0,
 561     debug_vm_lowmem, "I", "set to trigger vm_lowmem event with given flags");
 562 #endif